Масса и размер молекул. Основные положения молекулярно-кинетической теории. Размеры молекул — Гипермаркет знаний Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро

Многие опыты показывают, что размер молекулы очень мал. Линейный размер молекулы или атома можно найти различными способами. Например, с помощью электронного микроскопа, получены фотографии некоторых крупных молекул, а с помощью ионного проектора (ионного микроскопа) можно не только изучить строение кристаллов, но определить расстояние между отдельными атомами в молекуле.

Используя достижения современной экспериментальной техники, удалось определить линейные размеры простых атомов и молекул, которые составляют около 10-8 см. Линейные размеры сложных атомов и молекул намного больше. Например, размер молекулы белка составляет 43*10 -8 см.

Для характеристики атомов используют представление об атомных радиусах, которые дают возможность приближённо оценить межатомные расстояния в молекулах, жидкостях или твёрдых телах, так как атомы по своим размерам не имеют чётких границ. То есть атомный радиус – это сфера, в которой заключена основная часть электронной плотности атома (не менее 90…95%).

Размер молекулы настолько мал, что представить его можно только с помощью сравнений. Например, молекула воды во столько раз меньше крупного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара.

Моль вещества

Массы отдельных молекул и атомов очень малы, поэтому в расчётах удобнее использовать не абсолютные значения масс, а относительные.

Относительная молекулярная масса (или относительная атомная масса ) вещества М r – это отношение массы молекулы (или атома) данного вещества к 1/12 массы атома углерода.

М r = (m 0) : (m 0C / 12)

где m 0 – масса молекулы (или атома) данного вещества, m 0C – масса атома углерода.

Относительная молекулярная (или атомная) масса вещества показывает, во сколько раз масса молекулы вещества больше 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Относительная молекулярная (атомная) масса выражается в атомных единицах массы.

Атомная единица массы – это 1/12 массы изотопа углерода С 12 . Точные измерения показали, что атомная единица массы составляет 1,660*10 -27 кг, то есть

1 а.е.м. = 1,660 * 10 -27 кг

Относительная молекулярная масса вещества может быть вычислена путём сложения относительных атомных масс элементов, входящих в состав молекулы вещества. Относительная атомная масса химических элементов указана в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева.

В периодической системе Д.И. Менделеева для каждого элемента указана атомная масса , которая измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.). Например, атомная масса магния равна 24,305 а.е.м., то есть магний в два раза тяжелее углерода, так как атомная масса углерода равна 12 а.е.м. (это следует из того, что 1 а.е.м. = 1/12 массы изотопа углерода, который составляет большую часть атома углерода).

Зачем измерять массу молекул и атомов в а.е.м., если есть граммы и килограммы? Конечно, можно использовать и эти единицы измерения, но это будет очень неудобно для записи (слишком много чисел придётся использовать для того, чтобы записать массу). Чтобы найти массу элемента в килограммах, нужно атомную массу элемента умножить на 1 а.е.м. Атомная масса находится по таблице Менделеева (записана справа от буквенного обозначения элемента). Например, вес атома магния в килограммах будет:

m 0Mg = 24,305 * 1 a.e.м. = 24,305 * 1,660 * 10 -27 = 40,3463 * 10 -27 кг

Массу молекулы можно вычислить путём сложения масс элементов, которые входят в состав молекулы. Например, масса молекулы воды (Н 2 О) будет равна:

m 0Н2О = 2 * m 0H + m 0O = 2 * 1,00794 + 15,9994 = 18,0153 a.e.м. = 29,905 * 10 -27 кг

Моль равен количеству вещества системы, в которой содержится столько же молекул, сколько содержится атомов в 0,012 кг углерода С 12 . То есть, если у нас есть система с каким-либо веществом, и в этой системе столько же молекул этого вещества, сколько атомов в 0,012 кг углерода, то мы можем сказать, что в этой системе у нас 1 моль вещества .

Постоянная Авогадро

Количество вещества ν равно отношению числа молекул в данном теле к числу атомов в 0,012 кг углерода, то есть количеству молекул в 1 моле вещества.

ν = N / N A

где N – количество молекул в данном теле, N A – количество молекул в 1 моле вещества, из которого состоит тело.

N A – это постоянная Авогадро. Количество вещества измеряется в молях.

Постоянная Авогадро – это количество молекул или атомов в 1 моле вещества. Эта постоянная получила своё название в честь итальянского химика и физика Амедео Авогадро (1776 – 1856).

В 1 моле любого вещества содержится одинаковое количество частиц.

N A = 6,02 * 10 23 моль -1

Молярная масса – это масса вещества, взятого в количестве одного моля:

μ = m 0 * N A

где m 0 – масса молекулы.

Молярная масса выражается в килограммах на моль (кг/моль = кг*моль -1).

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой соотношением:

μ = 10 -3 * M r [кг*моль -1 ]

Масса любого количества вещества m равна произведению массы одной молекулы m 0 на количество молекул:

m = m 0 N = m 0 N A ν = μν

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе:

ν = m / μ

Массу одной молекулы вещества можно найти, если известны молярная масса и постоянная Авогадро:

m 0 = m / N = m / νN A = μ / N A

Более точное определение массы атомов и молекул достигается при использовании масс-спректрометра – прибора, в котором происходит разделение пучком заряженных частиц в пространстве в зависимости от их массы заряда при помощи электрических и магнитных полей.

Для примера найдём молярную массу атома магния. Как мы выяснили выше, масса атома магния равна m0Mg = 40,3463 * 10 -27 кг. Тогда молярная масса будет:

μ = m 0Mg * N A = 40,3463 * 10 -27 * 6,02 * 10 23 = 2,4288 * 10 -2 кг/моль

То есть в одном моле «помещается» 2,4288 * 10 -2 кг магния. Ну или примерно 24,28 грамм.

Как видим, молярная масса (в граммах) практически равна атомной массе, указанной для элемента в таблице Менделеева. Поэтому когда указывают атомную массу, то обычно делают так:

Атомная масса магния равна 24,305 а.е.м. (г/моль).

Александрикова Татьяна

Исследовательская работа по физике была защишена на научно - практической конференции.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Снежногорская средняя общеобразовательная школа»

III муниципальная научно-практическая конференция

«На перекрёстке наук»

Определение размеров молекул

различных веществ

Александрикова Татьяна Алексеевна,

10 класс

Руководитель:

Двойнова Марина Валерьевна,

учитель физики

п. Снежногорский

2012

1. Введение ………………………………………………………………………………………3
2. Глава I. Что такое молекула?.....................…………………………………………………4

Глава II. Методы определения размеров молекул ….……………………………………5

Глава III. Определение диаметра молекул ……………………7

1. Заключение ………………………………………………………………………………….8
2. Список использованной литературы ………………………………………………………..9

Введение

Все тела, которые нас окружают, состоят из мельчайших частиц – молекул. Очень интересно узнать, каковы размеры молекул? Как их можно определить? Из-за очень малых размеров молекулы нельзя увидеть невооруженным глазом или с помощью обыкновенного микроскопа. Их можно увидеть только с помощью электронного микроскопа. Ученые доказали, что молекулы разных веществ отличаются друг от друга, а молекулы одного и того же вещества одинаковы. На практике измерить диаметр молекулы можно, но к сожалению, в школьной программе не предусмотрено изучение проблем такого рода.

Цель исследования: определить диаметр молекулы растительного масла.

Объект исследования: молекула растительного масла

Предмет исследования: диаметр молекулы.

Гипотеза: известно, из разных источников, что диаметр молекулы растительного масла может принять значение от 10 -7 до 10 -10 м.

Задачи исследования:

1. Изучение методов определения размеров молекул.
2. Проведение эксперимента по определению размеров молекул.
3. Анализ полученных результатов.
4. Сравнение диаметра молекул полученных экспериментальным методом с статистическими данными.

Актуальность: работа относится к прикладным исследованиям и поможет лучше разобраться в вопросе определение размеров молекул.

Глава I. Что такое молекула?

Молекула в современном понимании – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Молекула способна к самостоятельному существованию.

Различными способами было определено, что в 1 см 3 любого газа при нормальных условиях содержится около 2,7×10 19 молекул.

Чтобы понять, насколько велико это число, можно представить, что молекула – это «кирпич». Тогда если взять количество кирпичей, равное числу молекул в 1 см 3 газа при нормальных условиях, и плотно уложить ими поверхность суши всего земного шара, то они покрыли бы поверхность слоем высотой 120 м, что почти в 4 раза превосходит высоту 10-этажного дома. Огромное число молекул в единице объёма указывает на очень малые размеры самих молекул. Например, масса молекулы воды m=29,9×10 -27 кг. Соответственно малы и размеры молекул. Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяет сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным, так как на молекулярных расстояниях представления классической физики не всегда оправданы. Средний размер молекул порядка 10 -10 м.

Если бы размер молекулы увеличить до размера точки в конце предложения в книге, то толщина человеческого волоса стала бы равна 40 м, а человек, стоя на поверхности Земли, упирался бы головою в Луну! Если из детского резинового шарика, надутого и наполненного водородом (массой 3г), каждую секунду выпускать по 1 миллиону молекул, то понадобится 30 миллиардов лет!

Молекула – это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара – сладкая, а соли – соленая. Молекулы состоят из атомов. Размеры молекул ничтожно малы.

Как добыть молекулу из вещества? – механическим дроблением вещества. Каждому веществу соответствует определенный вид молекул. У разных веществ молекулы могут состоять из одного атома (инертные газы) или из нескольких одинаковых или различных атомов, или даже из сотен тысяч атомов (полимеры). Молекулы различных веществ могут иметь форму треугольника, пирамиды и других геометрических фигур, а также быть линейными.

Молекулы одного и того же вещества во всех агрегатных состояниях одинаковы.

Между молекулами в веществе существуют промежутки. Доказательствами существования промежутков служат изменение объема вещества, то есть расширение и сжатие вещества при изменении температуры, и явление диффузии. Молекулы вещества находятся в непрерывном тепловом движении.

Если удалить пространство из всех атомов человеческого тела, то все, что останется, сможет пролезть через игольное ушко.

Глава II. Методы определения размеров молекул

В молекулярной физике главные «действующие лица» - это молекулы, невообразимо маленькие частицы, из которых состоят все на свете вещества. Ясно, что для изучения многих явлений важно знать, каковы они, молекулы. В частности, каковы их размеры.

Когда говорят о молекулах, их обычно считают маленькими упругими твердыми шариками. Следовательно, знать размер молекул, значит знать их радиус или диаметр.

Несмотря на малость молекулярных размеров, физики сумели разработать множество способов их определения. В одном используется свойство некоторых (очень немногих) жидкостей растекаться в виде пленки толщиной в одну молекулу. В другом, размер частицы определяется с помощью сложного прибора – ионного проектора.

Строение молекул изучают различными экспериментальными методами. Электронография, нейтронография и рентгеновский структурный анализ позволяют получать непосредственную информацию о структуре молекул. Электронографии, метод, исследующий рассеяние электронов на пучке молекул в газовой фазе, позволяет рассчитать параметры геометрической конфигурации для изолированных сравнительно простых молекул. Нейтронография и рентгеновский структурный анализ ограничены анализом структуры молекул либо отдельных упорядоченных фрагментов в конденсированной фазе. Рентгенографические исследования кроме указанных сведений дают возможность получить количественные данные о пространственном распределении электронной плотности в молекулах.

Спектроскопические методы основаны на индивидуальности спектров химических соединений, которая обусловлена характерным для каждой молекулы набором состояний и отвечающих им энергетических уровней. Эти методы позволяют проводить качественный и количественный спектральный анализ веществ.

Разнообразную информацию о строении и свойствах молекул дает изучение их поведения во внешних электрических и магнитных полях.

Существуют, однако, очень простые способы определения размеров молекул:

1 способ. Основан на том, что молекулы вещества, когда оно находится в твердом или жидком состоянии, можно считать плотно прилегающими друг к другу. В таком случае для грубой оценки можно считать, что объем V некоторой массы m вещества просто равен сумме объемов содержащихся в нем молекул. Тогда объем одной молекулы мы получим, разделив объем V на число молекул N.

Число молекул в теле массой m равно, как известно, , где М - молярная масса вещества N A - число Авогадро. Отсюда объем V 0 одной молекулы определяется из равенства

В это выражение входит отношение объема вещества к его массе. Обратное же отношение есть плотность вещества, так что .

Плотность практически любого вещества можно найти в доступных всем таблицах. Молярную массу легко определить, если известна химическая формула вещества.

Первый из этих двух корней - постоянная величина, равная ≈ 7,4 · 10 -9 моль 1/3 , поэтому формула для r принимает вид .

Например, радиус молекулы воды, вычисленный по этой формуле, равен r В ≈ 1,9 · 10 -10 м.

Описанный способ определения радиусов молекул не может быть точным уже потому, что шарики нельзя уложить так, чтобы между ними не было промежутков, даже если они соприкасаются друг с другом. Кроме того, при такой «упаковке» молекул – шариков были бы невозможны молекулярные движения. Тем не менее, вычисления размеров молекул по формуле, приведенной выше, дают результаты, почти совпадающие с результатами других методов, несравненно более точных.

2 способ. Метод Ленгмюра и Дево. В данном методе исследуемая жидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясь в ней. При попадании капли раствора на поверхность воды спирт растворяется в воде, а исследуемая жидкость образует пятно площадью S и толщиной d (порядка диаметра молекул).

Если допустить, что молекула имеет форму шара, то объем одной молекулы равен:

где d – диаметр молекулы.

Необходимо определить диаметр молекулы d. В микропипетку набрать 0,5 мл раствора и, расположив ее над сосудом, отсчитать число капель n, содержащихся в этом объеме. Проделав опыт несколько раз, найти среднее значение числа капель в объеме 0,5 мл, а затем подсчитать объём исследуемой жидкости в капле: , где n – число капель в объеме 0,5 мл, 1:400 – концентрация раствора.

В ванну налить воду толщиной 1 – 2 см. Насыпать тальк тонким слоем на лист бумаги, ударяя слегка пальцем по коробочке. Расположив лист бумаги выше и сбоку от ванны на расстоянии 10 – 20 см, тальк сдуть с бумаги. На поверхность воды в ванне из пипетки капнуть одну каплю раствора. Линейкой измерить, средний диаметр образовавшегося пятна D и подсчитываю его площадь. Опыт повторить 2- 3 раза, а затем подсчитать диаметр молекул d.

3 способ. Определение диаметра молекулы. Будем считать, что капля масла растекается по воде до тех пор, пока толщина масляной плёнки не станет равной одной молекуле, тогда диаметр одной молекулы можно определить по формуле: d=V/S, где V – объём капли масла, S - площадь масленого пятна. Объём капли масла можно определить следующим образом: накапать 100 капель из капилляра в сосуд и измерить массу масла в нём. После этого массу, выраженную в килограммах, поделить на плотность масла, которую можно взять из таблицы плотности некоторых веществ (плотность масла растительного 800 кг/м 3 ). Затем полученный результат поделить на количество капель. Объём капли можно определить также с помощью мерного цилиндра: накапать масло в цилиндр, измерить его объём в см 3 и перевести в м 3 , для чего поделить на 1000000, затем на количество капель масла. После того, как объём капли стал известен нужно капнуть одну каплю масла на поверхность воды, которая налита в широкий сосуд. Для ускорения реакции предварительно немного нужно нагреть воду – приблизительно до 40 0 С. Масло начнёт растекаться, и в результате получится круглое пятно. После того, как пятно перестанет расширяться, с помощью линейки измерить его диаметр и рассчитать площадь пятна по формуле: .

Глава III. Определение диаметра молекулы

После изучения способов определения размера молекулы был выбран наиболее подходящий – третий способ.

ную массу растительного масла, а для этого необходимо знать химическую формулу растительного масла. Второй способ также невыполним, так как в данном методе исследуемая жидкость должна растворяться в спирте (эфире) и быть легче воды, не растворяясь в ней. Такой жидкостью может быть олеиновая кислота, которую сложно приготовить в школьной лаборатории.

Для проведения эксперимента был определён перечень лабораторного оборудования: шприц, лабораторная чашка, масляные вещества(вазелиновое масло, дизельное топливо, машинное масло), перманганат калия, линейка измерительная.

Цель работы: определить диаметр молекулы.

Ход эксперимента:

1. Набираем исследуемую жидкость в мерный шприц.
2. Определяем объём вещества по шкале нанесенной на шприц.
3. Измеряем массу исследуемого вещества на электронных весах. Прежде чем, набрали вещество в шприц мы определили массу пустого шприца.
4. Наливаем жидкость из шприца в воду, а затем наблюдаем, как расплывается пятно. Для того чтобы капля растекалась быстрее мы взяли воду нагретую примерно до 40 градусов, чтобы расплывшееся пятно было лучше видно мы добавили перманганат калия.
5. Измеряем диаметр образовавшегося пятна мерной линейкой.
6. Вычисляем площадь пятна. Образовавшееся пятно имеет форму круга, поэтому для определения его площади можно использовать формулу площади круга

1. Вычисляем диаметр молекулы по формуле:

Все измерения и вычисления мы занесли в таблицу, по которой видно, что диаметры молекул исследуемых веществ подтверждают нашу гипотезу о том что диаметр молекул может принимать значения от 10 -7 до 10 -10 м.

Определение объёма капли растительного масла.

В мерный цилиндр (мензурку) накапали 190 капель, общий объём которых составил 10 мл. Использую формулу для определения объём исследуемой жидкости в капле из метода Ленгмюра и Дево (2 способ), получаем .

1. Определение площади масляного пятна.

Для того, чтобы получить масляное пятно провели несколько экспериментов.

В ванну размером 40×30 см необходимо налить воду и капнуть 1 каплю растительного масла, а затем наблюдать, как расплывается пятно, когда оно перестанет расплываться – измерить его диаметр.

Для определения площади пятна использовали формулу: .

Получаем: .

1. Определение диаметра молекулы растительного масла.

Используем формулу: , получаем .

В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества лежат три положения, каждое из которых доказано с помощью опытов: вещество состоит из частиц; эти частицы хаотически движутся; частицы взаимодействуют друг с другом.

Свойства и поведение тел, начиная от разреженных газов верхних слоев атмосферы и кончая твердыми телами на Земле, а также сверхплотными ядрами планет и звезд, определяются движением взаимодействующих друг с другом частиц, из которых состоят все тела, - молекул, атомов или еще более малых образований - элементарных частиц.

Оценка размеров молекул. Для полной уверенности в реальности существования молекул необходимо определить их размеры.

Рассмотрим сравнительно простой метод оценки размеров молекул. Известно, что нельзя заставить капельку оливкового масла объемом расплыться на поверхности воды так, чтобы она заняла площадь более Можно предположить, что при растекании масла по максимальной площади оно образует слой толщиной всего лишь в одну молекулу. Толщину этого слоя нетрудно определить и тем самым оценить размеры молекулы оливкового масла

Разрежем мысленно кубик объемом на квадратные слои по площади каждый так, чтобы ими можно было покрыть площадь (рис. 2). Число таких слоев будет равно: Толщину слоя масла, а следовательно, и размер молекулы оливкового масла можно найти, разделив ребро куба в 0,1 см на число слоев: см.

Ионный проектор. В настоящее время перечислять всевозможные способы доказательства существования атомов и молекул нет необходимости. Современные приборы позволяют наблюдать изображения отдельных атомов и молекул. В учебнике физики для VI класса приведена фотография, полученная с помощью электронного микроскопа, на которой можно видеть расположение отдельных атомов на поверхности кристалла золота.

Но электронный микроскоп - очень сложное устройство. Мы познакомимся с гораздо более простым прибором, позволяющим получать изображения отдельных атомов и оценивать их размеры. Этот прибор называется ионным проектором или ионным микроскопом. Устроен он следующим образом: в центре сферического сосуда радиусом около 10 см расположено острие вольфрамовой иглы (рис. 3). Радиус кривизны острия делают настолько малым, насколько это возможно при современной технике обработки металлов, - около 5-10 6 см. Внутреннюю поверхность сферы покрывают тонким проводящим слоем, способным, подобно экрану телевизионной трубки, светиться под действием ударов быстрых частиц. Между положительно заряженным острием и отрицательно заряженным проводящим слоем создают напряжение в несколько сотен вольт. Сосуд заполняют гелием при малом давлении 100 Па (0,75 мм рт. ст.).

Атомы вольфрама на поверхности острия образуют микроскопические «бугорки» (рис. 4). При сближении хаотически

движущихся атомов гелия с атомами вольфрама электрическое поле, особенно сильное вблизи атомов на поверхности острия, отрывает электроны у атомов гелия и превращает эти атомы в ионы. Ионы гелия отталкиваются от положительно заряженного острия и с большой скоростью движутся вдоль радиусов сферы. Сталкиваясь с поверхностью сферы, ионы вызывают ее свечение. В результате на экране возникает увеличенная картина расположения атомов вольфрама на острие (рис. 5). Светлые пятнышки на экране - это изображения отдельных атомов.

Увеличение проектора - отношение расстояния между изображениями атомов к расстоянию между самими атомами - оказывается равным отношению радиуса сосуда к радиусу острия и достигает двух миллионов. Именно поэтому удается видеть отдельные атомы.

Диаметр атома вольфрама, определяемый с помощью ионного проектора, оказывается равным приблизительно см. Размеры атомов, найденные другими методами, оказываются примерно такими же. Размеры молекул, состоящих из многих атомов, естественно,больше.

При каждом вдохе вы захватываете в легкие столько молекул, что если бы все они после выдоха равномерно распределились в атмосфере Земли, то каждый житель планеты при вдохе получил бы две молекулы, побывавшие в ваших легких.